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Die Erfindung betrifft eine Schneidrolle einer Tunnelbohrmaschine mit einem Bolzen und mit einem Drehlager, eine Tunnelbohrmaschine und ein Bohrverfahren.
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Es sind seit langem Tunnelbohrmaschinen bekannt, deren Bohrköpfe bzw. Arbeitsköpfe mit Schneidrollen ausgestattet sind, die das Gestein lockern bzw. abtragen. Es sind auch Tunnelbohrmaschinen bekannt, die mithilfe einer speziellen Schneideinheit Querschnitte von nicht kreisförmiger Kontur erzeugen können. Durch die Anpassung der Profile an die spätere Nutzung des Tunnels können diese effizienter erstellt werden. Bei dieser Tunnelbohrmaschine sind mehrere Schneidarme vorgesehen, die über hydraulische Antriebe dynamisch verstellt werden können. Der Schnitt wird über Schneidrollen realisiert, die von den Schneidarmen gegen den Berg gedrückt werden. Beispielsweise zeigt die
DE 40 154 62 A1 eine derartige Tunnelbohrmaschine und eine Schneidrolle.
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Da es bisher nur geringe Kenntnisse über den Schnittkraftverlauf abhängig von den Schnitt- und Gesteinsparametern gibt, besteht ein Bedarf, diese Schneidkräfte zu messen. Um einen Schnittkraftverlauf an einem Abbauwerkzeug (Schneidrolle) erfassen zu können, muss die Messung während eines Schneideprozesses erfolgen.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Tunnelbohrmaschinen-Schneidrolle zu schaffen, mit deren Hilfe auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise Messdaten, insbesondere bezüglich der Schneidkräfte, ermittelt werden können. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Schneidrolle gelöst.
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Die Erfindung hat es sich auch zur Aufgabe gemacht, eine Tunnelbohrmaschine mit einer derartigen Schneidrolle und ein Bohrverfahren mit einer derartigen Schneidrolle zu schaffen. Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 10 wiedergegebene Tunnelbohrmaschine und das in Anspruch 11 wiedergegebene Bohrverfahren gelöst.
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Die erfindungsgemäße Tunnelbohrmaschinen-Schneidrolle weist einen Bolzen mit einem Drehlager auf. Der Bolzen bildet bevorzugt die Achse der übrigen Schneidrolle. Die übrige Schneidrolle ist also bevorzugt an dem Bolzen, mit einem Drehlager, drehbar gelagert. Der Bolzen weist bevorzugt einen mittleren, zylindrischen Bereich auf. Dieser Bereich ist bevorzugt im Inneren der übrigen Messschneidrolle angeordnet. Der Bolzen ist seinerseits bevorzugt an beiden seiner Enden, die bevorzugt aus der übrigen Schneidrolle herausragen, gelagert, besonders bevorzugt drehfest. Der Bolzen kann an seinen Enden vergrößerte und/oder nicht-zylindrische Abschnitte umfassen, die auch als Rollenaufnahmen bezeichnet werden können. Die Schneidrolle ist als Messschneidrolle ausgebildet, indem in die Schneidrolle eine Messvorrichtung integriert ist, zur Messung insbesondere der Schneidkräfte.
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Mit der Formulierung, dass in die Schneidrolle eine Messvorrichtung integriert ist, ist im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere gemeint, dass die Messvorrichtung vollständig in oder an der übrigen Schneidrolle angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass ein Nachrüsten einer Tunnelbohrmaschine mit geringem Aufwand möglich ist. Auch kann bei einem möglichen Defekt der Messvorrichtung die Messschneidrolle schnell durch eine funktionsfähige Messschneidrolle ersetzt werden, ohne lange Stillstandszeiten der Tunnelbohrmaschine.
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Mit dem Begriff „Tunnelbohrmaschine“ wird im Rahmen dieser Druckschrift jede Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen bezeichnet, insbesondere also auch eine Maschine, bei der Gestein mithilfe der Hinterschneidtechnik abgetragen wird.
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Bevorzugt misst die Messvorrichtung die Schneidkräfte in zwei Koordinatenrichtungen, die bevorzugt senkrecht zueinander und zur Längsachse des Bolzens ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist eine Einrichtung vorgesehen, die den Betrag und die Richtung der Schneidkraft bestimmt. Indem bevorzugt nicht nur die Kräfte in Andruckrichtung, sondern auch senkrecht hierzu (und zu der Drehachse der Schneidrolle) erfasst werden, kann auch ein Rückschluss auf ein Blockieren einer Schneidrolle möglich sein.
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In einer Ausführungsform führt die Messvorrichtung neben oder anstelle der Messungen der Schneidkräfte andere Messungen durch, wie beispielsweise Messung der Drehzahl der Schneidrolle und der Temperatur. Die Messvorrichtung misst in einer Ausführungsform also neben oder anstelle der Schneidkräfte die Drehzahl der Messschneidrolle und/oder die Temperatur.
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Bevorzugt sind alle erforderlichen Komponenten der Datenerfassung, sowie weiter bevorzugt alle erforderlichen Komponenten der Weiterleitung der Daten, und ganz besonders bevorzugt auch die erforderliche Energieversorgung, in die Messschneidrolle integriert. Hierdurch wird eine Voraussetzung dafür geschaffen, bestehende Tunnelbohrmaschinen mit möglichst geringem Aufwand, insbesondere möglichst geringer Modifizierung der bestehenden Tunnelbohrmaschine, mit einer Möglichkeit zur Messung insbesondere der Schneidkräfte nachzurüsten.
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Bevorzugt umfassen die Komponenten der Datenweiterleitung ein Telemetriesystem, das die Messergebnisse an eine Empfängereinheit überträgt. Das Telemetriesystem ist bevorzugt modular aufgebaut und umfasst weiter bevorzugt Messverstärkermodule, sowie weiter bevorzugt einen Multiplexer und ganz besonders bevorzugt eine Transmittereinheit. Das Telemetriesystem übermittelt bevorzugt die Daten per Funk an eine Empfängereinheit, die weiter bevorzugt mit einer Steuerung und Datenerfassung der Tunnelbohrmaschine verbunden ist.
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Bevorzugt ist das Telemetriesystem in dem hohl gebohrten Bolzen der Schneidrolle montiert. Vorzugsweise ist das Telemetriesystem zusammen mit der Energieversorgung, beispielsweise einer Batterie oder einem Akkumulator, in dem hohl gebohrten Bolzen der Schneidrolle montiert.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, das Telemetriesystem und weiter bevorzugt auch die Energieversorgung austauschbar auszuführen.
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In einer Ausführungsform ist in die Schneidrolle also eine Datenerfassung, eine drahtlose Datenübertragung und eine Energieversorgung integriert, zur Messung insbesondere der Schneidkräfte.
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Bevorzugt umfasst die Messvorrichtung mindestens einen Dehnungsmessstreifen.
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Die Schneidrolle weist also bevorzugt an geeigneter Stelle mindestens einen Dehnungsmessstreifen auf, sowie bevorzugt eine Einrichtung zur Spannungsmessung, sowie weiter bevorzugt eine Einrichtung zur Umrechnung der gemessenen Spannungen in Kräfte und ganz besonders bevorzugt eine Telemetrieeinrichtung, zur Übertragung der Daten zur übrigen Tunnelbohrmaschine, insbesondere zur Schneidarmsteuerung der Tunnelbohrmaschine. In einer Ausführungsform weist die Schneidrolle auch eine Einrichtung zur Messung und Übertragung weiterer Messgrößen, wie beispielsweise Temperatur auf.
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Bevorzugt ist die Messvorrichtung – und in der Ausführungsform mit Dehnungsmessstreifen der mindestens eine Dehnungsmessstreifen – so angeordnet, dass nicht die biegebedingte Verformung, sondern die querkraftbedingte Verformung des Bolzens erfasst wird. Bevorzugt wird die querkraftbedingte Verformung des mittleren, zylindrischen Bereichs des Bolzens erfasst. Denn die Messung der Querkraft ist weitgehend unabhängig von der Einspannbedingung des Bolzens.
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Bevorzugt ist die Messvorrichtung – und in der Ausführungsform mit Dehnungsmessstreifen der mindestens eine Dehnungsmessstreifen – in mindestens einer, bevorzugt zwei radialen Nuten des Bolzens angeordnet. Vorzugsweise ist eine Nut in Längsrichtung des Bolzens betrachtet vor der Drehlagerung angeordnet und eine weitere Nut bevorzugt hinter der Drehlagerung.
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Die Dehnungsmessstreifen sind bevorzugt auf dem Nutgrund angeordnet. Das Gitter der Dehnungsmessstreifen verläuft bevorzugt schräg zur Längserstreckung der Nut, so dass eine querkraftbedingte Verschiebung der Querschnitte des Bolzens über die Breite der Nut zu einer Längenänderung von mindestens einem Dehnungsmessstreifens führt. In jeder Nut sind bevorzugt vier Dehnungsmessstreifen angeordnet und weiter bevorzugt zu einer Vollbrücke verbunden. Sie sind weiter bevorzugt auf der 12 Uhr, drei Uhr, sechs Uhr und neun Uhr Position des Bolzens angeordnet.
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Vorzugsweise weist der Bolzen Flanken auf, zur axialen Fixierung des Drehlagers und es sind reibungsmindernde Mittel zwischen dem Drehlager und diesen Flanken vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass die gesamte Querkraft oder nahezu die gesamte Querkraft über den Bolzen geleitet wird.
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Die reibungsmindernden Mittel umfassen bevorzugt schubweiche Zwischenringe. Die Vorspannkraft des Drehlagers wird in dieser Ausführungsform also über schubweiche Zwischenringe auf die Flanken des Bolzens übertragen. Die reibungsmindernden Mittel verhindern oder reduzieren die Übertragung eines undefinierten Querkraftanteils über Reibung an den Drehlagerflanken, insbesondere Wälzlagerflanken, der dann nicht mehr auf die Messvorrichtung wirken würde.
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Die Messschneidrolle ist bevorzugt derart gestaltet, dass sie die gleichen Kräfte wie eine Standardschneidrolle aufnehmen kann.
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Die Erfindung betrifft auch eine Tunnelbohrmaschine mit einer Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Bevorzugt weist die Tunnelbohrmaschine zwei Messschneidrollen auf.
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In einer Ausführungsform umfasst die Tunnelbohrmaschine Schneidarme, an denen die Schneidrollen angeordnet sind und eine Schneidarmsteuerung. Vorzugsweise weisen die Messschneidrollen ein Telemetriesystem auf, das die Messergebnisse zur Schneidarmsteuerung überträgt.
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Vorzugsweise überträgt das Telemetriesystem alle Messergebnisse und es ist keine gegenständliche Leitung vorhanden, die diese Funktion ausübt. Die Übertragung der Messergebnisse erfolgt in dieser Ausführungsform also vollständig drahtlos.
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In einer Ausführungsform weist die Tunnelbohrmaschine eine Messvorrichtung zur Messung der in Achsrichtung der Schneidrolle wirkenden Schneidkräfte auf. Diese Messvorrichtung zur Messung der Axialkräfte umfasst bevorzugt Dehnungsmessstreifen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen mit einer Tunnelbohrmaschine mit Schneidrollen wird mindestens eine herkömmliche Schneidrolle durch eine Messschneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ersetzt. Vorzugsweise werden zwei herkömmliche Schneidrollen durch je eine Messschneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ersetzt.
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Mittels der Messvorrichtung der Messschneidrolle werden bevorzugt die Querkräfte auf den Bolzen der Messschneidrolle, bevorzugt auf den mittleren, zylindrischen Bereich des Bolzens, gemessen.
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Bevorzugt wird während eines Schneidprozesses gemessen.
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Die Schneidrollen werden bevorzugt an geeigneter Stelle mit Dehnungsmessstreifen bestückt, die gemessenen Spannungen werden bevorzugt in Kräfte umgerechnet und weiter bevorzugt per Telemetrie übertragen, bevorzugt zur Schneidarmsteuerung der Tunnelbohrmaschine. Weitere Signale, wie etwa Temperatur, können bei Bedarf ebenfalls übertragen werden.
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Die Telemetrie-Komponenten werden bevorzugt zusammen mit der Energieversorgung, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, in dem hohl gebohrten Bolzen der Schneidrolle montiert, bevorzugt austauschbar.
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Die Radialkräfte an der Schneidrolle werden bevorzugt über Dehnungsmessstreifen, die bevorzugt in zwei Nuten des Bolzens angeordnet sind, vorzugsweise je eine vor und hinter der Drehlagerung, gemessen.
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Bevorzugt werden auch die Axialkräfte, also die in Achs-Richtung der Messschneidrolle auf diese wirkenden Kräfte gemessen, weiter bevorzugt durch Dehnungsmessstreifen, die bevorzugt auf der Rollenaufnahme angeordnet sind.
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Die Erfindung soll nun anhand eines in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugarmes einer Tunnelbohrmaschine mit Messschneidrolle;
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2 eine perspektivische Schnittdarstellung einer nicht alle Komponenten enthaltenden Messschneidrolle;
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3 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Messschneidrolle sowie von Einzelkomponenten;
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4 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Bolzens einer Messschneidrolle;
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5 ganz oben eine perspektivische Darstellung eines schubweichen Zwischenrings, links oben eine Darstellung wie in 4 in kleinerem Maßstab, rechts oben eine perspektivische Darstellung eines weiteren Teils des Bolzens einer Messschneidrolle, links unten eine perspektivische Darstellung des kompletten Bolzens einer Messschneidrolle mit darauf angeordnetem schubweichen Zwischenring, rechts unten eine Darstellung wie links unten, jedoch aus einem anderen Blickwinkel;
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6 eine perspektivische Querschnittsdarstellung eines Bolzens einer Messschneidrolle;
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7 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Ausführungsbeispiels einer Tunnelbohrmaschine;
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8 eine Seitendarstellung des Arbeitskopfes der in 7 gezeigten Tunnelbohrmaschine;
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9 eine Frontalansicht des Arbeitskopfes von 8.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messschneidrolle 100, an einem Werkzeugarm 14. Die Figur lässt erkennen, dass der Bolzen 1 der Messschneidrolle 100 beidseitig, also auch an dem freien Ende des Werkzeugarmes 14, abgestützt ist.
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Insbesondere 5 zeigt, dass der Bolzen 1 einen mittleren, zylindrischen Bereich 1b aufweist und an beiden seiner Enden vergrößerte und teilweise nicht-zylindrische Abschnitte 1a, 1a´.
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Die 2 und 3 zeigen das Konzept der Messschneidrolle 100. Diese weist einen auch in 6 gezeigten Bolzen 1 auf, der teilweise hohl gebohrt ist. Wie unter anderem 3 zeigt, sind in dem dadurch geschaffenen Hohlraum Komponenten 9 zur Weiterleitung der Messdaten eingebracht, die im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Telemetriesystem umfassen. Das Telemetriesystem ist auf einem Träger 10 angeordnet. 2 zeigt auch das Drehlager 2 der Messschneidrolle, sowie in den Bolzen 1 eingebrachte Radialnuten 5, 5´.
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4 zeigt einen Teil des Bolzens 1. Mit den Koordinatenrichtungen x, y sind die zwei senkrecht zur Bolzenachse A stehenden Koordinatenrichtungen symbolisiert, in denen die Schneidkräfte durch die in die Messschneidrolle integrierte Messvorrichtung 3 gemessen werden. Die Querkraft wird also in zwei Koordinatenrichtungen x, y, bestimmt. Es werden der Betrag und die Richtung der radialen Schnittkraftkomponente ermittelt.
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Die Messvorrichtung 3 umfasst Komponenten zur Datenerfassung 3a, die im gezeigten Ausführungsbeispiel Dehnungsmessstreifen 4 umfassen. Diese sind zweimal zu einer Dehnungsmessstreifen-Vollbrücke geschaltet und in den Radialnuten 5, 5´ angeordnet.
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Wie 4 zeigt, sind die Dehnungsmessstreifen auf dem Nutgrund angeordnet. Das Gitter der Dehnungsmessstreifen verläuft schräg zur Längserstreckung der Nut, so dass eine querkraftbedingte Verschiebung der Querschnitte des Bolzens über die Breite der Nut zu einer Längenänderung der Dehnungsmessstreifen führt. In jeder Nut sind vier Dehnungsmessstreifen angeordnet und zu einer Vollbrücke verbunden. Sie sind auf der 12 Uhr, drei Uhr, sechs Uhr und neun Uhr Position des Bolzens angeordnet.
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Wie insbesondere die 5 und 6 zeigen, sind zwei dieser schubweicher Zwischenringe jeweils zwischen den Flanken 6, 6´ des Bolzens 1 und den Flanken der Innenringe 2, 2a´ des Drehlagers 2 angeordnet. Jeder schubweiche Zwischenring 8 kann sich in radialer Richtung verformen.
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Die Telemetrieelektronik besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei Messverstärkermodulen, sowie einem Multiplexer und der Transmittereinheit.
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4 zeigt das grundsätzliche Messprinzip der Radialkraftmessung an dem Bolzen 1.
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Durch die beiden schubweichen Zwischenringe 8 wird die gesamte oder zumindest nahezu die gesamte Querkraft über den Bolzen 1 geleitet.
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Die Axialkraft der Schneidrolle 100 wird ebenfalls über Dehnungsmessstreifen gemessen. Deren Anordnung erfolgt an der Rollenaufnahme 1a. Sie sind in den Figuren nicht gezeigt.
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Die Telemetriekomponenten werden auf einem Träger 10 in den hohl gebohrten Bolzen 1 montiert (siehe 3). Es ist vorgesehen, die Telemetrieelektronik austauschbar zu realisieren.
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Die Versorgung erfolgt über einen Akku (oder eine Batterie 11a), der von vorne durch eine Öffnung in den Bolzen 1 geschoben wird. Diese wird mit einer Schraube bzw. einem Hydraulikstopfen 16 verschlossen. Eine Laufzeit von etwa zehn Stunden nach Aktivierung wird angestrebt.
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Die elektrischen Komponenten werden erschütterungsfest montiert. Bei der Auslegung werden maximale Beschleunigungen von bis zu 50 g angenommen. Die Senderantenne, die als Kabel-Antenne 17 ausgeführt ist, wird in einem Kanal auf der Oberseite einer Rollenaufnahme 1a verlegt und mit Vergussmasse abgedeckt und somit gegen Steinschlag geschützt.
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Der Empfänger wird in der Leitwarte der Tunnelbohrmaschine platziert. Die optimale Antennenposition des Empfängers wird experimentell bestimmt. Die Antenne kann bis nahe an den Arbeitskopf 15 geführt werden. Die Erfassungs- und Übertragungsrate aller drei Kanäle beträgt 1 kHz. Über entsprechende EtherCat-IO-Module werden die Signale synchron zu allen weiteren Signalen der Arbeitskopfsteuerung erfasst. Empfänger und IO-Module werden in einem Schaltschrank der Tunnelbohrmaschine montiert, der lediglich über 24 V Versorgung und eine EtherCat-Schnittstelle verfügt. Er ist somit ohne große Modifikationen von einer zur anderen Tunnelbohrmaschine wieder zu tauschen.
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Die 7 bis 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine mit erfindungsgemäßen Messschneidrollen. Der Arbeitskopf 15 ist in 7 lediglich angedeutet und in 8 und 9 genauer gezeigt.
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Es sind bevorzugt zwei Messschneidrollen 100 gleichzeitig an einer Tunnelbohrmaschine vorgesehen. Die 8 und 9 zeigen den Arbeitskopf 15 eines denkbaren Ausführungsbeispiels, bei dem alle Schneidrollen als Messschneidrollen 100 ausgebildet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Messschneidrolle
- 1
- Bolzen
- 1a, 1a´
- Rollenaufnahmen
- 1b
- mittlerer, zylindrischer Bereich des Bolzens
- 2
- Drehlager
- 2a, 2a´
- Innenringe des Drehlagers
- 3
- Messvorrichtung
- 3a
- Komponenten der Datenerfassung
- 4
- Dehnungsmessstreifen
- 5, 5´
- Nut
- 6, 6´
- Flanken des Bolzens
- 7
- Reibungsmindernde Mittel
- 8
- schubweicher Zwischenring
- 9
- Komponenten zur Weiterleitung der Messdaten
- 10
- Träger des Telemetriesystems
- 11
- Energieversorgung
- 11a
- Batterie
- 12
- Dichtung
- 13
- Deckel
- 14
- Werkzeugarm
- 15
- Arbeitskopf
- 16
- Batteriefach und Hydraulikstopfen
- 17
- Kabel – Antenne
- A
- Bolzenachse
- x, y
- Koordinatenrichtungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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